Tout dans l’univers a de la gravité – et la ressent. En même temps, c’est cette force fondamentale la plus courante qui pose le plus grand défi aux physiciens.
La théorie générale de la relativité d’Albert Einstein Il a été extrêmement réussi à décrire l’attraction gravitationnelle des étoiles et des planètes, mais cela ne semble pas être vrai à toutes les échelles.
relativité générale Il a subi plusieurs années d’essais de contrôle, de Mesure d’Eddington De la diffraction de la lumière des étoiles du Soleil à 1919 La dernière détection des ondes gravitationnelles.
Cependant, des lacunes dans notre compréhension commencent à apparaître lorsque nous essayons de l’appliquer à de très petites distances et où Les lois de la mécanique quantique fonctionnentou en essayant de décrire l’univers entier.
Notre nouvelle étude, déchargé astronomie naturelleMaintenant, il a testé la théorie d’Einstein sur la plus grande échelle.
Nous pensons que notre approche pourrait un jour aider à résoudre les plus grands mystères de la cosmologie, et les résultats suggèrent que la relativité générale devra peut-être être modifiée à cette échelle.
mauvais modèle ?
La théorie quantique prédit que l’espace vide, le vide, est plein d’énergie. Nous ne remarquons pas leur présence car nos appareils ne peuvent mesurer que les changements d’énergie, pas leur quantité totale.
Cependant, selon Einstein, l’énergie du vide a une attraction répulsive – elle écarte l’espace vide. Fait intéressant, en 1998, on a découvert que l’expansion de l’univers s’accélérait en fait (une découverte qui Prix Nobel de physique 2011).
Cependant, la quantité d’énergie du vide, ou énergie noire Comme on l’appelait, il faut expliquer que l’accélération est de plusieurs ordres de grandeur plus petite que ce qui est prédit par la théorie quantique.
Par conséquent, la grande question, connue sous le nom de “vieux problème constant de la cosmologie”, est de savoir si elle attire réellement l’énergie du vide, qui crée une force gravitationnelle et modifie l’expansion de l’univers.
Si oui, pourquoi son attrait est-il tellement plus faible que prévu ? Si le vide n’est pas du tout attiré, qu’est-ce qui cause l’accélération cosmique ?
Nous ne savons pas ce qu’est l’énergie noire, mais nous devons supposer son existence pour expliquer l’expansion de l’univers.
De même, nous devons supposer qu’il existe une sorte de substance invisible qui s’appelle matière noireExpliquer comment les galaxies et les amas ont évolué dans la façon dont nous les observons aujourd’hui.
Ces hypothèses ont été incorporées dans la théorie cosmologique standard des scientifiques, appelée modèle Lambda de la matière noire froide (LCDM) – qui suggère que l’univers se compose de 70 % d’énergie noire, 25 % de matière noire et 5 % de matière ordinaire. Ce modèle a parfaitement réussi à ajuster toutes les données recueillies par les cosmologistes au cours des 20 dernières années.
Mais le fait que la majeure partie de l’univers se compose de forces et de matière noire qui prennent des valeurs étranges et absurdes a conduit de nombreux physiciens à se demander si la théorie de la gravité d’Einstein devait être modifiée pour décrire l’univers entier.
Il y a quelques années, un nouveau développement est apparu, lorsqu’il est devenu évident que les différentes méthodes de mesure du taux d’expansion cosmique, le soi-disant Constante de Hubbledonner des réponses différentes – le problème est connu Tension Hubble.
Le désaccord ou la tension entre deux valeurs de la constante de Hubble.
Le premier est le nombre prédit par le modèle cosmologique du LCDM, qui a été développé en conséquence La lumière laissée par le Big Bang (La fond de micro-ondes cosmique émission).
L’autre est le taux d’expansion, qui est mesuré en observant des supernovae dans des galaxies lointaines.
Plusieurs idées théoriques ont été proposées pour les méthodes de modulation LCDM pour expliquer la tension de Hubble. Parmi elles se trouvent des théories alternatives de la gravité.
Trouver des réponses
Nous pouvons concevoir des tests pour vérifier que l’univers est conforme aux règles de la théorie d’Einstein.
La relativité générale décrit la gravité comme une courbure ou une déviation de l’espace et du temps qui courbe les chemins le long desquels la lumière et la matière voyagent. Surtout, il prédit que les trajectoires des rayons lumineux et de la matière sont courbées de la même manière par la gravité.
Avec une équipe de cosmologistes, nous avons testé les lois fondamentales de la relativité générale. Nous avons également examiné si la modification de la théorie d’Einstein pouvait aider à résoudre certains problèmes cosmologiques ouverts, tels que la tension de Hubble.
Afin de savoir si la relativité générale est vraie à grande échelle, nous avons entrepris pour la première fois d’en examiner trois aspects à la fois. Il s’agissait de l’expansion de l’univers, de l’effet de la gravité sur la lumière et de l’effet de la gravité sur la matière.
En utilisant une méthode statistique connue sous le nom d’inférence bayésienne, nous avons utilisé l’histoire cosmique pour reconstruire la gravité de l’univers dans un modèle informatique basé sur ces trois paramètres.
Nous pouvons estimer les paramètres sur la base des données de fond cosmique micro-ondes du satellite Planck, des catalogues de supernova et des observations des formes et de la distribution des galaxies lointaines. SDSS Est dans DE télescopes.
Nous avons ensuite comparé notre reconstruction au modèle LCDM (essentiellement un modèle d’Einstein).
Nous avons trouvé des indices intéressants d’écart possible par rapport aux prédictions d’Einstein, bien qu’avec une signification statistique plutôt faible.
Cela signifie qu’il est toujours possible que la gravité fonctionne différemment à grande échelle et que la relativité générale doive être modifiée.
Notre étude a également révélé qu’il est très difficile de résoudre le problème de contrainte de Hubble simplement en modifiant la théorie de la gravité.
Peut-être qu’une solution complète nécessiterait un nouveau composant du modèle cosmologique qui existait avant que les protons et les électrons ne forment l’hydrogène. le Big Bangcomme une forme spéciale de matière noire, un type précoce d’énergie noire ou des champs magnétiques primordiaux.
Ou il peut y avoir une erreur systématique inconnue dans les données.
Cependant, notre étude a prouvé qu’il est possible de tester la validité de la théorie de la relativité générale à des distances cosmiques à l’aide de données d’observation. Bien que nous n’ayons pas encore résolu le problème de Hubble, dans quelques années, nous aurons beaucoup de données provenant des nouvelles sondes.
Cela signifie que nous pouvons utiliser ces méthodes statistiques pour modifier davantage la relativité générale et explorer les limites des modifications afin d’ouvrir la voie à la résolution de certains des défis ouverts en cosmologie.
Kazuya Koyamaprofesseur de cosmologie, Université de Portsmouth Est dans Lévon Bogosianprofesseur de physique, Université Simon Fraser
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